A vastagbélkripták a mikrobiális metabolitok természetes kapuőrei az őssejtek védelme érdekében | Jiotower

a bél mikrobiota több mint 15 millió éve együtt fejlődik emlős gazdáikkal kölcsönös szimbiotikus kapcsolatban. Míg a sejt-és molekuláris mechanizmusok jelenleg ismeretlenek, addig az alkalomhoz jutnak, hogy lenyűgöző módon alkalmazkodjanak egymás igényeihez. Például a terhesség harmadik trimeszterében a bél mikrobiota teljes átalakításon megy keresztül, hogy több zsírt termeljen a Proteobaktériumok és az Aktinobaktériumok növelésével, hogy támogassa a növekvő babát és a terhes anyát (1).A bél mikrobiota kritikus jellegét ma már nagyra értékelik a gazdaszervezet immunrendszerének, idegi, érrendszeri és inmetabolikus rendszereinek fejlesztésében és fenntartásában. A mikrobiotát az emberen belül speciális fejlődő szervnek tekintik. Számos genetikai és külső tényezőpéldául mutációk, gyulladás, fertőzések, étrend, antibiotikumok ismert, hogy befolyásolják a mikrobiális közösségek dinamikáját a bélbenés kritikus szerepet játszanak mind a veleszületett, mind az adaptív immunrendszer modulálásában. Számos erőfeszítés történt, és mások jelenleg a komplex mikrobiota-gazda kölcsönhatások meghatározására szolgálnak (jó vs.rossz; ok vs. következmény) állati modellek felhasználásával. Ennél is fontosabb, hogy világossá válik, hogy az antibiotikumok túlzott használata az emberi élet minden szakaszában jelentősen hozzájárulhatott az emberi populációk megnövekedett anyagcserezavaraihoz.

míg a mikrobák közvetlenül befolyásolják az immunrendszer fejlődését, úgy gondolják, hogy sok jótékony/patogén hatást mikrobiális metabolitok közvetítenek (amelyeket a bélbaktériumok termelnek étrendi tényezőkből). A mikrobiális metabolitok többsége kis molekulákés ezek keringő koncentrációja az emberekben a mikromoláris koncentrációtól a millimoláris koncentrációig terjed. Ezekkoncentrációk, gyakran súlyos toxicitást vagy proliferatív hatást fejtenek ki a különböző sejttípusokra. Érdekes, hogy a gazdarendszergyakran csökkenti a metabolitok káros hatásait annak ellenére, hogy mikromoláris keringő koncentrációban termelődtek. Így a gazdaszervezet által elfogadott mechanizmusok vizsgálata bélrendszer ezen metabolitok felhasználására nagy érdeklődés.

Kaiko et al. (2) ezt a problémát számos vitro és in vivo modell alkalmazásával kezelte. A tanulmány általános hipotézise az, hogy a kripta struktúrákvédje a szár/progenitor sejteket a bél lumenében jelen lévő oldható mikrobiotából származó jelekből. Először 96 mikrobiális metabolit proliferatív hatását tesztelték a gyorsan osztódó Lgr5 + ős / progenitor sejteken. Ezeket a sejteket Cdc25A-click beetle red luciferase reporter egerekből izolált vastagbél hámsejtek dúsításával készítették elő. Azonosították a klasszikusmikrobiális metabolitot, a butirátot, mint a bél ős/progenitor sejtek proliferációjának kiemelkedő inhibitorát. A butirát egy bakteriális keményítőerjesztésű rövid láncú étrendi zsírsav, amelyet főként néhány Gram-pozitív anaerob baktérium termel a bélben. A butirát koncentrációja millimoláris koncentrációig érhető el a bél lumenében, azaz egérben ~5 mM, emberben ~70 mM. Az ős – / progenitor sejteken végzett anti-proliferatív aktivitás ellentmond a korábbi jelentéseknek, amelyekben a butirátot jótékony metabolitként állapították meg. Például Furusawa et al. (3) és Arpaia etal. (4) kimutatták, hogy a butirát elősegíti a gyulladáscsökkentő perifériás szabályozást-sejt generáció. A legfontosabb, hogy ezekben a vizsgálatokban arról számoltak be, hogy a butirát felszabályozta a FoxP3promoter régió hiszton H3 acetilezését, valamint az intronic enhancer konzerválta a nem kódoló 1.szekvencia (CNS1) és CNS2 régiókat. Hasonló összefüggésben Medzhitov csoportja kimutatta, hogy a butirát szabályozza a bél makrofág működését azáltal, hogy gátolja a hiszton-dezacetilázt (HDAC), létrehozva a butirát gyulladáscsökkentő aktivitását (5).

Kaiko et al. (2) azzal a hipotézissel kezdődött, hogy a kripta struktúrák megvédik a bél szárát/progenitort a butirát anti-proliferatív aktivitástól. Ez a csoport azt gyanította, hogy a kripta morfológiája nem merelyhogy fokozza a tápanyagok felszívódását, hanem hogy megvédje a szár/progenitor sejtek medencéjét a káros metabolitoktól. A koncepció igazolására felhasználták zebrafish modell, amelyből hiányzik a kripta szerkezete a belekben. Fontos, hogy a zebrafish szintén nem hordozza abutirátot termelő baktériumok. A butirát zebrahalnak való kitettsége jelentősen elnyomta a hámsejtek proliferációját abél dudor. Ezek a tanulmányok bizonyítékot szolgáltattak arra a koncepcióra, hogy a kriptaszerkezetek potenciálisan kialakultak a butirát (a mikrobiális metabolitok egyéb káros hatásai) anti-proliferatív aktivitásának megakadályozására magasabb szervezetekben. A kripták kritikus védő szerepének kezelése a magasabb organizmusokban, két független módszert alkalmaztak a kriptaszerkezetek kiküszöbölésére egérmodellekben. Először dextrán-nátrium-szulfáttal (DSS) kezelték az egereket, amelyekben a kripták integritása megsemmisül, másodszor pedig fizikailag megsérültek a bélbélés biopsziás csipesszel, hogy eltávolítsák a vastagbél nyálkahártyájának 1 mm2-es fragmenseit. Mindkét modellben megfigyeltékaz exogén butirát jelentős szuppresszív hatása az epitheliális szár / progenitor sejtek proliferációjára a szomszédos kriptákban. Érdekes módon, amikor kimerítették a butiráttermelésért felelős baktériumokat, csökkent fekélyméretet figyeltek meg az inDSS-szel kezelt egereknél, és ezt a hatást megfordíthatják butirátot vagy butiráttermelő baktériumokat tartalmazó székletátültetéssel. Átfogó, Kaiko et al. kimutatták, hogy a kriptaszerkezetek megakadályozzák a butirát anti-proliferatív aktivitását kolonicstem/progenitor sejtek azok a kripták tövében laknak.

következő, Kaiko et al. (2) arra a kérdésre, hogy a védelem diffúzión alapul-e(a kripta felszínétől a bázisáig), vagy a butirátot tovább metabolizálják a kripta struktúrák tetején lévő hámsejtek. A felszíni kolonociták metabolikus kapacitásának vizsgálata (erősen differenciált), kifejlesztették in vitro sejtkultúraa vastagbél őssejtjeiből származó differenciált kolonociták rendszere. Ezek a sejtek körülbelül 30% butirátot fogyasztottak, külső hozzáadott butirát jelenlétében termesztve, és a felülúszók jelentősen csökkentették az ős / progenitor sejtek anti-proliferatív aktivitását, ami azt sugallja, hogy a kolonociták valóban felhasználják a butirátot az őssejtek védelmére. Továbbá kimutatták, hogy a butirátot,de nem más SCFA-kat (propionátot, acetátot) metabolizálják a kolonociták (de nem őssejtek), mint az oxidatív foszforiláció (OXFOSZ) szubsztrátját energiaforrásukhoz. A butirát kolonociták általi metabolizmusát egérmodellekben vizsgálták Acil-CoA-dehidrogenázokban(Acad-ok) hiányos egerek felhasználásával. Az acad-ok kulcsfontosságú enzimek, amelyek a butirátot acetil-CoA-vá alakítják, és erősen expresszálódnak a kolonocitákban. Az acad – / – egerek csökkent ős / progenitor sejtproliferációt mutattak a vad típushoz képest. A butirát exogén expozíciója tovább csökkentstem/progenitor sejtproliferáció. Érdekes, hogy amikor az ACADs – / – egereket DSS-vel kezelik, szignifikánsan csökkentették a csontsejtek proliferációját butirát expozícióval vagy anélkül. Összességében ezek a vizsgálatok kiemelik, hogy a butirát oxidációs útja a kolonocitákban szükséges volt az ős/progenitor sejtek luminális butirátnak való expozíciójának korlátozásához. Ezek az eredmények rávilágítanak arra, hogy a gazdaszervezet és a mikrobiota hogyan képes egyszerre kielégíteni energiaigényét és megvédeni a kritikus sejteket. Az asdemonstrált kolonociták erősen expresszálták a butirát metabolizáló enzimeket az Scfautilizációban részt vevő egyéb metabolikus enzimekhez képest, amelyek nem mutatnak anti-proliferatív aktivitást az őssejteken. A differenciált kolonociták kizárólag csökkentikmetabolizálja energiaforrásukat, ugyanakkor megvédi az őssejtek elnyomását.

ebben a tanulmányban a szerzők megvizsgálták a butirát által kiváltott anti-proliferatív aktivitásért felelős mechanizmusokat a colonicstem/progenitor sejteken. Megállapították, hogy a butirát szignifikánsan gátolta a HDAC aktivitását azáltal, hogy fokozta az acetilezést a szár/progenitorsejtekben mind a hiszton H3K27, mind a H3K9 helyeken. A HDAC inhibitorok (trichostatin A) megfordították a fenotípust, ami arra utal, hogy a butirát anti-proliferatív aktivitását Hdac-k közvetítik. Továbbá feltárták, hogy azonosítsák a transzkripciós faktorok felelősek az itsactions keresztül Genom-szintű kromatin immunprecipitációs szekvenálás (ChIP-seq) és formaldehid-támogatott izolálása szabályozó elementssequencing (FAIRE-seq) butiráttal kezelt vastagbél ős/progenitor sejtek. A transzkripciós tényezőkre összpontosítottak, amelyek szabályozzáksejtciklus. Elemzésük megállapította, hogy a butirát szabályozza a Foxo1 és a Foxo3 transzkripciós faktorokat, mint erősen megjósolt jelölteket. Ezeket a megfigyeléseket a Foxo1 és Foxo3 aktivitás farmakológiai és genetikai gátlásával erősítették meg, ahol azt jelentették, hogy a Foxo3 aktiválása kritikus fontosságú a butirát anti-proliferatív aktivitás szempontjából. Összefoglalva, kimutatták, hogy a butirát a törzs/progenitor sejtekre hat a hisztonok acetilezésére, és a proliferáció Foxo3-függő szuppresszióját indukálja, mint negatív sejt-cikleregulátor (1.ábra).

a jelenlegi tanulmány, miközben elmagyarázza a kripta biológiai aktivitásának néhány alapvető megértését, érdekes kérdéseket vet fel. Számos tanulmány számolt be a butirát jótékony hatásairól fekélyes vastagbélgyulladásban szenvedő betegeknél gyulladáscsökkentőaktivitást. A védőhatások szintje azonban potenciálisan a kripták károsodásának mértékétől függ. Az eredmények arra utalnak, hogy a butirát jelenléte a sérült vastagbél kripta területén végül lelassítja a kripta regenerációjának folyamatát azáltal, hogy anti-proliferatív tevékenységei révén csökkenti a szár cellexpanzióját. Elnyomásával, a gyorsan osztódó őssejtek során nyálkahártya károsodás potenciálisanvédi az őssejteket a káros hatások közvetlen érintkezés genotoxikus luminális tartalmát. Feltételezhető, hogy a host-microbiota kifejlesztette ezeket a rendszereket, hogy elkerülje az epitheliális/őssejt transzformációt és csökkentse a rák kialakulásának kockázatát. Fontos, hogya gazda megvédje a szár / progenitor sejteket egy ilyen átalakulástól; ezért érdekes módon együtt fejlesztették ki az őshonos rendszereket, ahol feláldozzák magukat (elnyomják a szár/progenitor proliferációt) bakteriális metabolitok segítségével. Bár ezek a metabolitok negatív hatást gyakorolhatnak a rövid távú sebgyógyulási mechanizmusokra, hosszú távon megakadályozhatják a szársejtek rákos átalakulását.

valójában Moeller et al. azonosította, hogy az emberi bél mikrobiota az ősi szimbiótákból származik, amelyek az emberekkel és az afrikai majmokkal egyidejűleg specializáltak, a hominidák és a bél mikrobiota közötti kospeciáció tesztelésével. Összességében ezek a tanulmányok arra utalnak, hogy a butirát (butiráttermelő baktériumok) hogyan segített a bélrendszer finomhangolásában, támogatva a mikrobiota-Emlősök együttes evolúciójának koncepcióját, hogy támogassák egymás létezését.